综合物探方法在河道滑坡检测中的应用分析

朱 权

（上海市岩土工程检测中心，上海 200436）

0.引言

河道滑坡是指河道斜坡上的岩体或土体在受降雨和地震等因素影响时，整体或分散地顺着斜坡向下滑动的自然现象[1]。河道是水利工程的重要组成部分，一旦出现滑坡现象或隐患会直接影响农业生产。多年来，我国许多地区出现过比较严重的河道滑坡事故，产生了很大的危害，也为人民群众生产生活造成了很大的损失。

在河道滑坡防治中，如何做到准确、快速地查明滑坡构造和滑动面情况并做出科学判断，对于滑坡稳定性评价和质量方案设计起着重要作用。运用工程地球物理勘探的技术方法来检测滑坡具有高效、轻便等优越性，本文以某河道滑坡为例，详细论述了运用地质雷达和高密度电法相结合检测河道滑坡的可行性和良好效果，得出了一些结论并进行了展望。

1.技术可行性与检测方法简介

1.1 技术方法可行性

当滑坡灾害出现时，受影响土体或岩体会表现出与正常状态下不同的特征。滑坡体所产生的堆积物整体结构比原来变得松散，与不受滑坡影响的下部岩土特性存在较大的差异，这一特征适合地质雷达探测方法的特点，可以利用该方法进行浅部探测。同时，因为产生的堆积物一般呈低电阻特点，与下部完整岩土呈现的高电阻特征存在着明显的电性差异，这就为高密度电法工作提供了良好的条件和理论可能。

1.2 地质雷达探测法

地质雷达（GPR）是基于地下介质之间的电性差异，利用超高频窄脉冲电磁波进行探测、处理和分析物体内部不可见目标体或介质分界面的一种工程物探技术。地质雷达工作时，利用高频电磁波以脉冲形式将信号形成雷达波并由发射天线耦合到地下。如果信号在传播路径上遇到介质的非均匀体、面（存在电性差异）时，就会产生反射现象。反射信号返回地面后，由接收天线接收并传送到接收机进行整形和放大等处理。在微机中信号按照幅度大小进行编码，然后以灰色电平图或波形堆积图的方式显示[2]，最后依据波形、强度、几何形态等因素来确定地下目标体的性质和状态，探测基本原理（如图1、图2[2]所示）：

图1 地质雷达电磁波遇目标体反射示意图

图2 地质雷达记录回波曲线示意图

1.3 高密度电法

高密度电法（高密度电阻率法）改变了电法的传统工作模式，采用阵列式勘探模式，测量时按照固定点距将电极分布于布设的测点上，利用程控电极转换开关与电法仪器进行自动化数据采集[3]。通过外业采集的数据进行计算，得到地电断面，再根据地电断面上电阻率的变化并结合已有地质资料解释异常。高密度电法系统工作原理（如图3[4]所示），依据地下介质间的导电性差异，通过电极向地下供电，然后测量电位差，从而求得该记录点的视电阻率值。根据实测的视电阻率剖面进行计算、处理、分析，可获得地层中的电阻率分布情况，从而解决相应的工程地质问题。该方法提供的数据量大、信息多，并且观测精度高、速度快，已经得到了广泛应用。

图3 高密度电法工作原理示意图

2.工程项目实例

2020年3 月，某大型河道某区段出现滑坡坍塌灾害，现场可见滑裂面6处，多处出现长深裂缝现象。滑塌主要发生在一级坡标高12.0m、13.6m左右位置，标高12.0m处滑裂面宽0.5m左右，裂缝可见最大深度约3.80m左右，长30m左右；标高13.6m处滑裂面宽0.7m左右，裂缝可见最大深度约3.7m；二级坡及三级坡因一级坡滑动而失去支撑，出现了不同程度的破坏。针对现场岸坡滑裂情况，对滑裂区进行物探勘查，以查明滑坡面、滑坡体等信息和潜在滑动范围，尤其是对施工存在影响的岩体软弱结构面的产状信息等，为进一步地加固维护设计等防治工作提供基础数据等依据。

2.1 测线布设

经过现场踏勘并结合已有资料，根据滑坡区段地质情况等布置高密度电法横向测线3条，分别位于护坡顶面平台及沿护坡间排水沟；布置地质雷达横向测线3条，与高密度电法测线基本一致；另沿护坡间可施工处布置纵向测线18条，受现场地形影响纵测线均断开且距离较短。

2.2 地质雷达探测

2.2.1 探测与数据处理

本次项目外业数据采集系统采用美国产SIR-30E型地质雷达及其100MHz、400MHz屏蔽天线，观测方式采用点测模式（0.2m点距），叠加次数、采样频率、记录长度等技术参数根据现场试验以及各不同频率天线特征确定。采样点取值1024，记录时间采用550ns，选用5点增益，叠加次数为80次，滤波取值范围25～300MHz。在野外实地测量时，地质雷达发射天线和接收天线紧靠地面。

地质雷达数据用二维数据处理软件进行处理成图，在数据转换的基础上去直流漂移、去除开始时间操作，再进行能量增益、水平滤波、带通滤波操作，最后进行反褶积处理和滑动平均处理并进行图形编制。由于地质雷达信号在遇到高电阻目标体时反射波边长、强度变大而频率变低，当遇到低电阻不均匀介质时波形会呈现无规律特征，结合高密度电法探测成果，对地质雷达纵测线进行解译。

测线4未见明显滑坡面反射异常；测线5受电力因素干扰，有效信号较难提取；测线6～9见有滑坡面反射异常，滑坡面深度由2.5～5m变化；测线10～11未见明显滑动面反射异常；测线14～18见有滑坡面反射异常，滑坡面深度由2.5～5.5m变化；测线19～20未见明显滑动面反射异常；测线24见有滑坡面异常而测线25、26未见。结合物探测线分布在滑坡体中选取6条剖面，根据剖面起始点位置、终点位置和各测线滑坡面异常深度绘制滑坡面剖面图。

2.2.2 滑动面分析

选取3条斜坡滑动面分析如下：

位于第3斜坡的测线有8条，其中4条位于深度约5m处且均见有同相反射轴，推测为滑动面M3-1，层厚约1m（如图4所示）。1条测线附近有电缆，由于电力因素干扰严重不予分析讨论，3条测线未见明显同相反射轴，推测受滑坡位移影响，岩体破碎严重。结合地质雷达横向测线分析，位于7m深见有明显同相轴，且略有起伏。经由钻孔资料比对，推测为强风化角砾岩与安山岩接触面。

图4 推断滑动面M3-1图

位于第2斜坡的测线有7条，其中6条见有同相轴，由深逐渐变浅，推测为滑动面M3-2（如图5所示），层厚约1m。有3条测线滑坡层深度变化在3-5m,3条测线滑坡层深度变化在2-4m，推测第二斜坡滑坡区域北端至南端滑坡面逐渐加深约1m。1条测线见有类似于褶皱型起伏同相轴，推测岩体破碎，受力严重扭曲，推测可能存在岩层严重内部积压变形现象。结合地质雷达横向测线分析，位于5m深处见有明显同相轴且略有起伏，推测为滑动面异常。

图5 推断滑动面M3-2图

位于第1斜坡的测线有3条，测线深度2m处均见有反射同相轴，推测为滑动面M3-3，（如图6所示）。其中1条测线深度约5m处见有同相轴反射，结合地质雷达横向测线分析，深度位于2m、7m处见有明显同相轴，且略有起伏，推测为滑动面异常。结合地质雷达横向测线推测深部可能存在滑坡面M3-4。结合高密度电法成果分析，滑坡滑动应该由西南向东北滑动。

图6 推断滑动面M3-3和M3-4图

2.3 高密度电法探测

2.3.1 探测与数据处理

本项目高密度电法探测采用重庆地质仪器厂产DUK-2A多功能数字直流激电高密度电法仪，外业利用温纳装置进行测量并采用升压源，最大供电电压可达360v，电极距2m。由于温纳装置又称为对称四级装置，A、B两极是供电电极，M、N两极是测量电极，A、M、N、B四极按照相等间距布置，间距随着隔离系数等间隔增加。这种剖面测量方式所测得的区域为倒梯形区域[5]。

内业数据处理利用瑞典产RES2DINV高密度电法反演软件进行坏点删除及反演计算等步骤，绘制视电阻率等值线图，并根据视电阻率值的变化特征结合已有地质调查数据资料做出解释，最后绘制出物探成果解释图并结合地质雷达探测成果进行综合分析解释。

2.3.2 综合分析解释

（如图7、图8和图9所示）分别为3条高密度电法测线成果。通过测线1可整体判断地层较为稳定，横向视电阻率连续性较好，未见明显滑坡体与滑动面。现场也未见明显裂缝，在测线旁护坡见有塌陷沉降等。结合主要异常特征，低阻下凹异常体与现有沉降处相关。测线2中位于水平位置0～40m见有低电阻体，推测为泥岩地层，40m后为高电阻体，推测为安山岩，低电阻和高电阻接触处露于地表见有明显裂缝现象，位于水平位置45～115m和高程13～19m处见有低电阻滑坡体。现场可见裂缝与高密度成果测线对应较好，裂缝出现位置表现在视电阻率值低电阻和高电阻接触处，内部岩体的视电阻率值及形态稍显杂乱畸变，推测为岩体破碎，受力薄弱处形成滑坡体过程中形成两侧高电阻体滑动面。同时，地质雷达测线见有裂缝若干，由于现场操作面较窄，对于探测有一定影响。

测线3中位于水平位置0～40m处见有低电阻体，推测为泥岩地层，40m后为高电阻体，推测为安山岩，低电阻和高电阻接触处露于地表见有明显裂缝现象，位于水平位置40～110m处和高程8～14m见有低电阻滑坡体。裂缝出现的位置均位于低电阻和高电阻接触处，测线自南至北依次表现为视电阻率值由低到高变化，推测为3种岩体。岩体之间接触处高电阻和低电阻差异较大，在形成滑坡体过程中形成滑动面。地质雷达成果见有裂缝若干，现场电力设施电缆无法移除停工，存在一定电力干扰。

图7 高密度电法测线1探测成果

图8 高密度电法测线2探测成果

图9 高密度电法测线3探测成果

3.结论与展望

3.1 结论

本次滑坡体地质灾害勘查选用地质雷达和高密度电法相结合的方法进行综合探测，两种方法互相比较补充并进行综合判断解释，有效地克服了物探解译多解性的弊端。从目标体介电差异、电阻率差异等参数对异常进行综合判定，方法可靠，判断异常深度误差小，达到了精准可靠的探测目的。最终判定出6条滑坡剖面成果，推测滑坡面深度约为3～6m。

由于纵测线受场地探测条件限制，在进行地质雷达探测时无法连续测量，只能分段探测。在纵测线上无法开展高密度电法探测，在横测线上高密度电法仪器系统在护坡间排水渠上进行作业，可以进行较长测线连续探测，观测成果与地质雷达成果一致性较好，基本上呈吻合状态。

通过本次勘查工作，总结并得出以下结论：

高密度电法和地质雷达在地球物理探测方面有着各自特点，前者适合探测深部目标物体，后者在探测地表浅层物体时占据着明显的优势。两者都具有检测面广、速度快、无损和经济的特点，互相配合能够弥补单一探测方法的缺陷和不足。高密度电法既能提供探测目标体在某一深度沿水平方向的电性变化趋势，也能反映地质体在沿垂直方向不同深度电性变化趋势，能从二维断面上反映出目标物体的电性畸变特征，且图示直观容易分辨。

3.2 展望

由于本文所引用项目工期比较紧迫，没有采用土壤测氡技术方法和地震面波技术方法进行配合验证。在实际的研究应用工作中，综合运用多种技术方法更有助于对结论进行准确判定。利用多种手段的综合物探方法，以探测目标体的物性差异为基础进行勘测来解决问题，为河道滑坡检测提供了一种新的工作方法，也为河道滑坡的综合防治提供了准确可靠的基础数据资料。建议结合物探成果进行钻孔工作，再结合工程勘察成果以更好完善调整物探成果。另外，河道管理部门应密切关注雨季时雨水导致滑坡突发的情况。